[发明专利]一种基于UWB和IMU的抗NLOS的室内定位系统及其定位方法

说明书

本发明公开了一种基于UWB和IMU的室内高精度定位系统及其定位方法，包括固定在室内安装的3个定位基站以及安装在定位目标上的定位节点。定位节点包括UWB标签模块、IMU模块、第一MCU、第一Debug调试接口、第一USB接口。定位基站包括天线接口、UWB芯片、第二MCU、第二Debug调试接口、第二USB接口。本发明在复杂室内环境下能自动识别出非视距(NLOS)信道环境，并开启IMU和UWB的融合定位，减少因为NLOS导致的定位误差，达到较好的定位精度。系统构成简单，安装方便，使用便捷且精度高、抗NLOS效果好、成本低、无需额外布置多余的基站即可达到定位要求。

技术领域

本发明属于室内定位/导航领域，具体涉及一种基于UWB和IMU的抗NLOS的室内定位系统及其定位方法。

背景技术

UWB(Ultra Wideband，UWB)技术一种基于纳秒至微秒级别的无线脉冲通信技术，在较宽的频谱上传送极低功率的信号；具有超高的时间分辨率使得其可以获得高达厘米级别的测距精度，通过定位算法即可获得具有厘米级别的定位精度。目前各国相关研究机构将UWB技术定位为一项具有广阔市场前景的高精度定位技术，具有高精度、高刷新率、低延时、稳定性高等指标。

惯性导航技术是一种采用IMU(Inertial Measurement Unit，IMU)进行自主导航的技术，无需额外的基础设施或网络设施，短时精度高，可以应用在较为复杂的环境下，具有许多其他定位不具备的优点。使用IMU的定位研究上，因其应用性能独特，体型小，功耗低等优点，可用于空中鼠标、体感游戏、卫星、组合导航等。传统的组合导航即将GPS与IMU结合的定位导航，其精度可以达到10米内。当IMU初始值精度提高后，可以得到更高精度的位置精度。

在复杂的室内环境下UWB信号已受到遮挡，产生非视距NLOS(Non Line of Sight，NLOS)误差。同时IMU的误差会随着时间的积累而增加，难以独立的长时间提供高精度的导航任务。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于UWB和IMU的抗NLOS的室内定位系统及其定位方法，在复杂的室内环境下，当UWB信号处于NLOS环境时，与IMU结合进行定位，利用IMU的自主导航特性和短时有效，同时精度融合了UWB系统高精度的初始值，解决了UWB信号在受到遮挡时，定位不准，误差大的问题。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种基于UWB和IMU的抗NLOS的室内定位系统，包括3个位于同一室内的定位基站和一个设置在定位目标上的定位节点，系统根据NLOS识别算法自动识别遮挡物，当至少有一个定位基站未被遮挡时，定位节点接受来自定位基站的UWB信号实现定位，定位节点根据UWB的定位结果进行初始化和融合位置计算，并不断更新位置，实时获得定位节点的位置信息。

所述定位节点包括UWB标签模块、IMU模块、第一MCU、第一Debug调试接口和第一USB接口；UWB标签模块通过SPI总线与第一MCU相连接；IMU模块通过IIC总线与第一MCU连接；第一Debug调试接口和第一USB接口分别通过IO口与第一MCU相连接。定位节点通过第一MCU控制UWB标签模块接收和发送UWB信号；利用第一USB接口供电，通过第一Debug调试接口与上位机连接进行系统调试。

定位基站包括天线接口、UWB芯片、第二MCU、第二Debug调试接口和第二USB接口。天线接口通过阻抗匹配走线与UWB芯片连接；UWB芯片通过SPI总线与第二MCU连接，第二Debug调试接口和第二USB接口分别通过IO口与第二MCU相连接。定位基站通过第二MCU控制UWB芯片通过天线接口发送和接收UWB信号，利用第二USB接口供电，通过第二Debug调试接口与上位机连接进行系统调试。

一种基于UWB和IMU的抗NLOS的室内定位系统的定位方法，步骤如下：